Кинематическая связь описывает приспособления, предназначенные для точного ограничения рассматриваемой детали, обеспечивая точность и определенность расположения. Канонический пример кинематической связи состоит из трех радиальных V-образных канавок в одной части, которые сопрягаются с тремя полусферами в другой части. Каждая полусфера имеет две точки контакта, что в общей сложности составляет шесть точек контакта, что достаточно для ограничения всех шести степеней свободы детали . Альтернативная конструкция состоит из трех полусфер на одной части, которые вписываются соответственно в тетраэдрическую вмятину, V-образную канавку и плоскую поверхность. [1]
Кинематические соединения возникли из-за необходимости точного соединения между структурными интерфейсами, которые должны были регулярно разбираться и собираться заново.
Муфта Кельвина названа в честь Уильяма Томпсона (лорда Кельвина), который опубликовал конструкцию в 1868–71 годах. [2] Она состоит из трех сферических поверхностей, которые опираются соответственно на вогнутый тетраэдр , V-образную канавку, направленную в сторону тетраэдра, и плоскую пластину. Тетраэдр обеспечивает три точки контакта, в то время как V-образная канавка обеспечивает две, а плоская обеспечивает одну, что в общей сложности требует шесть точек контакта. Преимущество этой конструкции в том, что центр вращения расположен в тетраэдре, однако она страдает от проблем контактного напряжения в приложениях с высокой нагрузкой. [1]
Принципы этой системы сцепления были первоначально опубликованы Джеймсом Клерком Максвеллом в 1871 году. [2] Кинематическая система Максвелла состоит из трех V-образных канавок, которые ориентированы к центру детали, в то время как сопрягаемая часть имеет три изогнутые поверхности, которые садятся в три канавки. [1] Каждая из трех V-образных канавок обеспечивает две точки контакта, всего шесть. Эта конструкция выигрывает от симметрии и, следовательно, более простых технологий производства. Кроме того, муфта Максвелла является термически стабильной из-за этой симметрии, поскольку изогнутые поверхности могут расширяться или сжиматься в унисон в V-образных канавках. [2]
Воспроизводимость и точность кинематической связи исходят из идеи точного проектирования ограничений . Принцип точного проектирования ограничений заключается в том, что количество точек ограничения должно быть равно количеству степеней свободы, которые должны быть ограничены. [1] В механической системе существует шесть потенциальных степеней свободы. Существует три линейные степени свободы (также известные как трансляция ) вдоль осей «x», «y» и «z» и три вращательные степени свободы вокруг каждой оси, обычно называемые креном , тангажем и рысканием . [2] Если система недостаточно ограничена, то части могут свободно перемещаться относительно друг друга. Если система чрезмерно ограничена, она может нежелательно деформироваться под воздействием, например, теплового расширения . Конструкции кинематических связей контактируют только с количеством точек, равным количеству степеней свободы, которые должны быть ограничены, и поэтому являются предсказуемыми.